天然气物理化学性质

海底天然气物理化学性质第一节海底天然气组成表示法一、海底天然气组成海底天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷（CH4）占绝大部分，乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多，庚烷以上（C5+）烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）和水汽（H2O）以及微量的惰性气体。由于海底天然气是多种气态组分不同比例的混合物，所以也像石油那样，其物理性质变化很大，它的主要物理性质见下表。海底天然气中主要成分的物理化学性质名称分子式相对分子质量密度/Kg·m-3临界温度/℃临界压力/MPa粘度/KPa·S自燃点/℃可燃性限/%热值/KJ·m-3(15.6℃，常压)气体常数/Kg·m·(Kg·K)-1低限高限全热值净热值甲烷CH416.0430.716-82.54.640.01(气)6455.015.0372623349452.84乙烷C2H630.0701.34232.274.880.009(气)5303.212.45661516028928.2丙烷C3H844.0971.96796.814.260.125(10℃)5102.379.50937848624819.23正丁烷n-C4H1058.122.593152.013.800.1744901.868.4112141710843814.59异丁烷i-C4H1058.122.593134.983.650.1941.88.4412141710843814.59氨He4.0030.197-267.90.230.0184211.79氮N228.021.250-147.133.390.01730.26氧O232.01.428-118.825.040.01426.49氢H22.0160.0899-239.91.290.008425104.174.21277010760420.75二氧化碳CO244.01.96331.17.380.013719.27一氧化碳CO28.01.250-140.23.500.016661012.574.2126441264430.26硫化氢H2S34.091.521100.49.010.011662904.374.224.87空气28.971.293-140.753.770.017345.529.27二、海底天然气容积分数和摩尔分数定义混合物中各组分的容积为Vi，总容积V；摩尔分数yi：i组分的摩尔数ni与混合物总摩尔数n的比值。iiiiVVVVy；1iy；iiiinnnny；1iy由分压定律，存在PiV=niRMT；PiV=nRMT由分容定律，存在PVi=niRMT；PV=nRMTppnnyiii；iiiiynnVVy'结论：对于理想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。三、海底天然气分子量标准状态下，1kmol天然气的质量定义为天然气的平均分子量，简称分子量。iiMyM四、海底天然气密度（1）平均密度混合气体密度指单位体积混合气体的质量。按下面公式计算：0℃标准状态iiMy414.221；20℃标准状态iiMy055.241任意温度与压力下iiiiVyMy/（2）相对密度在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为相对密度。对单组分气体：a/a：空气密度，kg/m3；在0P=101.325kPa，0T=273.15K时；a=1.293kg/m3在0P=101.325kPa，0T=293.15K时；a=1.206kg/m3。对混合气体：iiy五、海底天然气虚拟临界参数和对比参数（1）临界参数使气体压缩成液态的极限温度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力称为临界压力，此时状态称为临界状态。混合气体的虚拟临界参数可按凯（Kay）法则计算：ciicTyT；ciicPyP；ciicy适用：各组分的临界压力和临界比容接近（20%），且任意二组分的临界温度满足0.5Tci/Tcj2的条件，否则，可能有很大计算误差。（2）对比参数海底天然气的压力、温度、密度与其临界压力、临界温度和临界密度之比称为天然气对比压力、对比温度和对比密度。crPPP/；crTTT/；cr/；或cr/第二节天然气气体状态方程一、理想气体状态方程PV=RT；PVM=RMT；PV=mRT=nRMT假设：分子是质点没有体积；分子间无作用力。当压力足够低、温度足够高，可近似使用理想气体状态方程。二、实际气体状态方程（1）范德瓦耳方程荷兰物理学家范德瓦耳考虑了分子体积和分子间吸力的影响：(P+a/V2)（V-b）＝RT（2）R-K方程瑞得里奇-邝（Redlich-Kwong）方程是在范得瓦尔方程的基础上进行修正，于1949年提出的。解决了实际气体性质定量计算的问题。)(5.0bVVTabVRTP（3）SRK方程Soave于1972年在R-K方程的基础上提出了另外的形式，解决在计算饱和气相密度时精度较差的问题。)(bVVabVRTP（4）PR状态方程为进一步提高对热力学性质和气液平衡数据预测的准确性，Peng和Robinson在Soave模型基础上于1976年改进，提出PR状态方程。)()(bVbbVVabVRTP（5）L-E-E方程是一个多参数状态方程，其形式为：))((bVbVVbcbVVabVRTp（6）BWRS方程本尼迪科特-韦勃-鲁宾1940年提出了能适应气液两相的8参数BWR状态方程，随后由Starling-Han在关联大量实验数据的基础上，对BWR方程进行修正，1970年提出了到目前认为用于天然气计算最精确的方程式之一的BWRS方程。3240302000)()(TdabRTTETDTCARTBRTP)exp()1()(22235TcTba三、带压缩因子的状态方程Z压缩因子或压缩系数：表示实际气体与理想气体的差别。Z是一个状态参数，通过实验来确定。但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。),(1rrrTPfccccRTPZrrccccrZTPZZRTPPRTZ),,,(rcrrZTPfZ；),,(2crrZTPfZcZ在0.23~0.31范围内，化为：),(3rrTPfZ表达式叫修正的对比态原理。第三节海底天然气的物理性质、热力性质和燃烧性质一、海底天然气物理性质（一）粘度1.粘度分为动力粘度和运动粘度。动力粘度μ，单位Pa·S，常用泊（P）、厘泊（cp）。1Pa·S=10P=1000cP在常压下混合动力粘度：iiiiiiMyMy在不同温度下的粘度：5.10273273TCTCT2.运动粘度ν，单位m2/S，常用托(St)、厘托（cst）。1m2/S=104St=106cst3.动力粘度与运动粘度的关系为：ν=μ/ρ（二）湿度1.海底天然气含水量及水露点天然气中含水汽多少用湿度或含水量来描述，与压力、温度和组成条件有关。饱和含水量：一定条件下，天然气与液态水达到相平衡时气相中的含水汽量。绝对湿度：单位体积天然气中含有的水汽质量，单位为kg/m3或mg/m3。饱和湿度：在一定温度和压力下，天然气含水汽量若达到饱和，则这个饱和时的含水汽量。相对湿度：指同温度下，天然气实际的绝对湿度和饱和湿度之比。水露点温度：在一定压力下，逐渐降低温度，天然气中水蒸气开始冷凝结露的温度，是表征天然气含水量的参数之一。2.海底天然气的烃露点海底天然气烃露点：指一定组成的天然气，在一定压力下冷凝，当析出第一滴烃类液珠时的温度。二、海底天然气的热力性质1.比热和比热容比热：在不发生相变和化学变化的条件下，加热单位质量的物质时，温度升高1℃所吸收的热量。单位为KJ/（kg·K）或KJ/（kg·℃）。比热容:同样条件下，加热单位体积的物质时，温度升高1℃所吸收的热量，称为此物质的比热容，单位为KJ/（m3·K）或KJ/（m3·℃）。气体的比热还分为质量定容热容CV和质量定压热容CP。VVTuC)(；PPThC)(；（1）对于理想气体而言,这两种比热之差等于气体常数RCCVP00纯组分理想气体：43205432TFTETDTCBCiiiiiPi混合物质量定压热容：00PiiiPCyC（2）实际气体比热容1）计算法2）查图法)()(222TPTCTV或dTPTCCVV)(220202.焓气体内能和体积与压力乘积之和称为气体的焓，H=U+pV或h=u+pv。（1）理想气体焓单组分：hi0=Ai+BiT+CiT2+DiT3+EiT4+FiT5混合气体：00iiihyh（2）实际气体焓1）计算法2）查图法3.熵熵是状态参数，随状态变化而变化，只决定于初始状态与终了状态。与路径无关。熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小。（1）理想气体熵单组分：si0=BilnT+2CiT+3/2DiT2+4/3EiT3+5/4FiT4+Gi混合气体：s0＝∑yisi0（2）实际气体熵1）计算法2)查图法4.导热系数物质导热能力的特性参数，指沿着导热方向上温度梯度为1K/m时，单位时间内通过单位面积的热量，物质的基本性质之一，单位J/(m·s·k)或W/(m·k)。（1）查图、查表法对于混合气体的导热系数，在查得各组分的导热系数后，按下列方法计算1）压力较低，根据各组分摩尔组成按Ribblett公式计算λ＝∑yiλiMi1/3/∑yiMi1/32）高压气体，按低压气体计算所得的导热系数，根据计算状态的对比压力和对比温度对其进行修正，查修正系数。（2）计算法1）低压单组分气体的导热系数用Misic和Thodos基于量纲分析提出的经验公式：对于甲烷、环烷烃和芳香烃，在Tr1时：rpTMc71045.4对于其它碳氢化合物及其它对比温度范围McTpr32714.552.14103221610088.1ccpMT2）低压混合气体的导热系数低压下混合气体的导热系数可按Ribblet计算，平均误差在3%左右。3）温度对气体导热系数的影响单组分：15.27315.2730TCTC混合气体：iiiiTTYTT12124）压力对气体导热系数的影响压力对气体的影响可根据对比密度进行计算：ρx0.5时（λ-λ0）ГZc5=（2.69654×10-4）（e0.535ρr-1）0.5ρx2.0时（λ-λ0）ГZc5=（2.51972×10-4）（e0.67ρr–1.069）2.0ρx2.8时（λ-λ0）ГZc5=（5.74673×10-5）（e1.155ρr+2.016）压力对混合气体导热系数的影响，仍可用上述公式计算，对比密度与气体种类无关，临界参数要按混合气体的视临界参数计算。三、海底天然气的燃烧性质1.海底天然气燃烧热值1m3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，简称热值。单位kJ/m3。高热值（全热值）：在恒定压力1.01325×105Pa、恒定温度T（25℃）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出时所放出的热量；低热值（净热值）：在恒定压力1.01325×105Pa、恒定温度T（25℃）下燃气完全燃烧，生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量。2.海底天然气的爆炸极限可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，这一极限称为着火下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称为着火上限。着火极限又称爆炸极限。而上、下限之间的范围称做爆炸范围。当气体不含氧或含有惰性气体时，爆炸极限范围将缩小。3.华